(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に非金属介在物が存在する熱間加工により形成され、かつ表面部除去加工を施してなる鋼製素材料の表層に、予めメッキされたＮｉ層の加熱によりディフュージョンした厚さ１０〜３０μｍの疲労強度強化層を有することを特徴とする高疲労強度鋼材。
【請求項２】
熱間加工により形成された鋼製素材料の表面の少なくとも一部に、製品化するために必要な表面部除去加工を施すことにより、該鋼製素材料の内部に潜んでいた非金属介在物が表面に露出あるいは表層に存在する素材鋼の表面にＮｉめっきを施し、次いで加熱することにより素材鋼の表層にＮｉのディフュージョンした厚さ１０〜３０μｍの疲労強度強化層を生成させることを特徴とする高疲労強度鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスラブまたは連続鋳造材を素材とし熱間加工を経て管、丸棒、板などの製造に供される疲労強度の優れた鋼材およびその製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
管、丸棒、板などの製造に供される素材は一般にはスラブまたは連続鋳造材が使用されるが、このような素材の場合、製品化や部品化のために表面部の切削や研磨、酸洗などによる鋼肌の除去によって下地の母材が露出すると、鋼中の非金属介在物が鋼材表面に露出したり、鋼表面直下の表層部に存在することがあり、また鋼材表面に微細なクラックが残留したり、あるいは新たに生じることもある。なお非金属介在物はＡｌ２Ｏ３、ＣａＯなどのような主として酸化物であって、母材鋼と比較して硬さが極めて高く、伸びが極めて小さい。またこの非金属介在物やクラックの大きさとしては、最大が２０〜３０μｍ程度のものが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鋼表面や鋼中に生じた前記の２０〜３０μｍ程度の非金属介在物や微細なクラックは、疲労環境下で疲労荷重が作用した場合には疲労応力の集中を生じ、疲労破壊の起点となり、管、丸棒、板などの鋼材の疲労強度を低下させることとなる。しかるに、本発明者の研究により、疲労破壊の原因とならない極微細なクラックや全くクラックのない鋼材の疲労破壊は、非金属介在物に起因することが知見されたのである。すなわち、鋼表面に生じたクラックを表面部除去加工により、５μｍ程度まで小さくした鋼材について疲労破壊試験を行い、その鋼材の疲労破壊した破面を観察した結果、２０〜３０μｍ程度の非金属介在物の存在が確認され、疲労破壊の原因が非金属介在物であることが判明したのである。この非金属介在物に起因する疲労強度の低下は、母材鋼と非金属介在物との硬さや伸びの差による応力集中の増大が原因と考えられている。
【０００４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、熱間鍛造加工、熱間圧延加工、熱間押出加工などの熱間加工や表面部除去加工などにより鋼表面や表層部に存在する非金属介在物による影響を可及的に少なくして疲労強度を高め、疲労応力環境下での使用に十分に耐え得る鋼材とその製造方法を提案することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高疲労強度鋼材は、表面または表層部に非金属介在物が存在する熱間鍛造、熱間圧延加工もしくは熱間押出加工などの熱間加工により形成され、かつ表面部除去加工を施してなる鋼製素材料の表層に、予めメッキされたＮｉ層の加熱によりディフュージョンした疲労強度強化層を有することを特徴とするものである。またその製造方法は、熱間鍛造加工、熱間圧延加工もしくは熱間押出加工などの熱間加工により形成された鋼製素材料の表面の少なくとも一部に、製品化するために必要な表面部除去加工を施すことにより、該鋼製素材料の内部に潜んでいた非金属介在物が表面に露出あるいは表層に存在する素材鋼の表面にＮｉめっきを施し、次いで加熱することにより素材鋼の表層にＮｉのディフュージョンした疲労強度強化層を生成させることを特徴とするものである。
【０００６】
鋼の表面または表層部に非金属介在物が存在する素材鋼の表層に、予めメッキしたＮｉ層を加熱してＮｉのディフュージョンした疲労強度強化層を生成した場合、このＮｉの加熱による疲労強度強化層は母材鋼より硬さが大きく、伸びが小さいため、鋼中に存在する非金属介在物と鋼肌表面との硬さや伸びの差が小さくなるため、疲労応力の集中の度合いが低くなって疲労強度が向上することとなる。したがって、疲労応力環境下で疲労荷重が作用しても、疲労応力の集中が大幅に軽減される結果、疲労強度を向上できることとなる。なおこの疲労強度強化層の厚さは、その作用効果を得るためには１０〜３０μｍが適当である。
【０００７】
本発明における表面部除去加工方法としては、切削、研削、研磨、酸洗、化学研磨、電解研磨、溶削などの手段を用いる。
【０００８】
【実施例】
実施例１
連続鋳造ビレットから熱間加工されたＳ４５Ｃ製丸棒を切削・研磨して１５ｍｍφに仕上げ、この丸棒の表面に常法の電気めっきにより膜厚４μｍのＮｉめっき層を形成し、該めっき丸棒を不活性ガス雰囲気加熱炉へ装入し、１１２０℃×４分加熱後、急冷処理し、丸棒表層部にＮｉのディフュージョンによる約２０μｍの疲労強度強化層を生成させた。
この処理丸棒の回転曲げ疲労試験を行った結果、比較材として用いた通常のＮｉめっきを施した同一サイズの丸棒の場合は、４×１０６回で疲労破壊が生じたのに対し、本発明に係る丸棒は、丸棒表面および表層部に非金属介在物が存在していたにもかかわらず、１．２×１０７でも疲労破壊は全く生じなかった。この結果は、丸棒表層部に生成させたＮｉのディフュージョンにより生じた約２０μｍの疲労強度強化層により応力集中の度合いが低下したことによるものと推察される。なお、比較材の破断面を観察した結果、疲労破壊の起点部に非金属介在物の存在が確認された。
【０００９】
実施例２
熱間鍛造して得られたＳ４５Ｃ製シャフトを切削・研磨して２４ｍｍφに仕上げ、その表面に常法の電気めっきにより膜厚３μｍのＮｉめっき層を形成し、該めっきシャフトを不活性ガス雰囲気加熱炉へ装入し、１２００℃×２分加熱後、急冷処理し、シャフト表層部にＮｉのディフュージョンによる約１８μｍの疲労強度強化層を生成させた。
このシャフトの回転曲げ疲労試験を行った結果、比較材として用いた通常のＮｉめっきを施した同一サイズのシャフトの場合は、４．７×１０６回で疲労破壊が生じたのに対し、本発明に係るシャフトは、シャフト表面および表層部に非金属介在物が存在していたにもかかわらず、１．２×１０７でも疲労破壊は全く生じなかった。この結果は、本実施例においてもシャフト表層部に生成させたＮｉのディフュージョンにより生じた約１８μｍの疲労強度強化層により応力集中の度合いが低下したことによるものと推察される。
なお、比較材の破断面を観察した結果、実施例１と同様疲労破壊の起点部に非金属介在物の存在が確認された。
【００１０】
実施例３
熱間加工により造管されたＳＴＳ３５製シームレス鋼管の内周面を切削・研磨して外径２４ｍｍφ×内径１０ｍｍφに仕上げ、このシームレス鋼管の内面に常法の電気めっきにより膜厚３μｍのＮｉめっき層を形成し、該めっき鋼管を不活性ガス雰囲気加熱炉へ装入し、１１３０℃×３分加熱後、急冷処理し、管内面表層部にＮｉのディフュージョンによる約１５μｍの疲労強度強化層を生成させた。
この鋼管の疲労強度を調べるため、油圧オイルを用い、ベース圧（下の圧力）１５０Ｂａｒ〜ピーク圧のサイン波形の内圧をかけて疲労限界強度を求めた結果（ピーク圧）を表１に示す。なお表１には比較のため、鋼管内面に２０〜３０μｍのクラック（内面疵）が存在する、通常のＮｉめっきを施した同一サイズのシームレス鋼管と、鋼管内面に５〜６μｍ程度の極微細クラックが存在する、通常のＮｉめっきを施した同一サイズのシームレス鋼管のピーク圧を併せて示す。
表１に示す結果より明らかなごとく、鋼管内面に２０〜３０μｍのクラックが存在する、通常のＮｉめっきを施した同一サイズのシームレス鋼管（従来例１）の場合は１２００Ｂａｒ、鋼管内面に５〜６μｍ程度の極微細クラックが存在する、通常のＮｉめっきを施した同一サイズのシームレス鋼管（従来例２）の場合は１４００Ｂａｒで、それぞれ疲労破壊が生じたのに対し、本発明に係る鋼管は、鋼管の内表面および表層部に非金属介在物が存在していたにもかかわらず、１７００Ｂａｒで１０７回試験を繰返しても疲労破壊は全く発生しなかった。この結果は、本実施例においても鋼管内面表層部にＮｉのディフュージョンにより生じた約１５μｍの疲労強度強化層により応力集中の度合いが低下したことによるものと推察される。
【００１１】
【表１】
0004442784.tif 000002
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明に係る高疲労強度鋼材は、素材鋼の表層に、予めメッキしたＮｉ層を加熱してＮｉのディフュージョンした疲労強度強化層を生成したことにより、この疲労強度強化層の作用により鋼材表面あるいは表層の非金属介在物と鋼肌表面との硬さや伸びの差が小さくなり、疲労応力の集中の度合いが低くなって疲労強度が向上する結果、疲労応力環境下であっても高い信頼性をもって使用することができる。また本発明方法によれば、既存の設備を使用して低コストで高疲労強度鋼材を製造することができるので、高い疲労強度を有する鋼材を安価に提供することができるという優れた効果を奏する。